Medida quantitativa da estrutura e função pulmonar obtida por espectroscopia de xenônio hiperpolarizada

Resumo

O manuscrito apresenta um protocolo detalhado para o uso da recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR) hiperpolarizada de Xenon-129 para rastrear as trocas gasosas pulmonares, avaliar a espessura aparente da parede do septo alveolar e medir a relação superfície-volume. O método tem o potencial de diagnosticar e monitorar doenças pulmonares.

Resumo

A ressonância magnética (MRI) hiperpolarizada de Xenon-129 (HXe) fornece ferramentas para obter mapas bidimensionais ou tridimensionais de padrões de ventilação pulmonar, difusão de gás, captação de xenônio pelo parênquima pulmonar e outras métricas de função pulmonar. No entanto, ao trocar a resolução espacial pela temporal, também permite o rastreamento da troca gasosa de xenônio pulmonar em uma escala de tempo ms. Este artigo descreve uma dessas técnicas, a espectroscopia de RM de recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR). Ele ilustra como ele pode ser usado para avaliar o volume sanguíneo capilar, a espessura da parede septal e a relação superfície-volume nos alvéolos. O ângulo de inversão dos pulsos de radiofrequência (RF) aplicados foi cuidadosamente calibrado. Protocolos de apneia de dose única e respiração livre de dose múltipla foram empregados para administrar o gás ao sujeito. Uma vez que o gás xenônio inalado atingiu os alvéolos, uma série de pulsos de RF de 90° foi aplicada para garantir a saturação máxima da magnetização de xenônio acumulada no parênquima pulmonar. Após um tempo de atraso variável, os espectros foram adquiridos para quantificar o crescimento do sinal de xenônio devido à troca gasosa entre o volume de gás alveolar e os compartimentos teciduais do pulmão. Esses espectros foram então analisados ajustando funções pseudo-Voigt complexas aos três picos dominantes. Finalmente, as amplitudes de pico dependentes do tempo de atraso foram ajustadas a um modelo analítico de troca gasosa unidimensional para extrair parâmetros fisiológicos.

Introdução

A ressonância magnética (MRI)1 de Xenônio-129 hiperpolarizado (HXe)¹ é uma técnica que oferece informações exclusivas sobre a estrutura, função e processos de troca gasosa pulmonares. Ao amplificar drasticamente a magnetização do gás xenônio por meio do bombeamento óptico de troca de rotação, a ressonância magnética HXe alcança uma melhoria de ordem de magnitude na relação sinal-ruído em comparação com a ressonância magnética de xenônio polarizada termicamente 2,3,4,5,6. Essa hiperpolarização permite a visualização direta e a quantificação da captação de gás xenônio no tecido pulmonar e no sangue, que de outra forma seria indetectável com a ressonância magnética convencional polarizada termicamente⁷.

A espectroscopia de RM de recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 provou ser uma das técnicas de ressonância magnética HXe mais valiosas. A CSSR envolve a saturação seletiva da magnetização do xenônio dissolvido no tecido pulmonar e no sangue usando pulsos de radiofrequência (RF) específicos de frequência. A recuperação subsequente do sinal de fase dissolvida (DP) à medida que ele troca com o gás xenônio hiperpolarizado fresco nos espaços aéreos em uma escala de tempo de ms oferece informações funcionais importantes sobre o parênquima pulmonar.

Desde o seu desenvolvimento no início dos anos 2000, as técnicas por trás da espectroscopia CSSR foram progressivamente refinadas 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Além disso, os avanços na modelagem das curvas de captação de Xenônio permitiram a extração de parâmetros fisiológicos específicos, como espessura da parede alveolar e tempos de trânsito pulmonar 10,24,25,26. Estudos mostraram a sensibilidade da RSC a mudanças sutis na microestrutura pulmonar e na eficiência das trocas gasosas na forma de anormalidades pulmonares encontradas em fumantes clinicamente saudáveis²⁷, bem como em uma variedade de doenças pulmonares, incluindo doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) ^{18 , 27 , 28} , fibrose²⁹ e lesão pulmonar induzida por radiação^30,31. A espectroscopia CSSR também demonstrou ser sensível para detectar oscilações no sinal DP correspondentes ao fluxo sanguíneo pulsátil durante o ciclo cardíaco³².

Embora tenham sido feitos progressos significativos, permanecem desafios práticos na implementação da espectroscopia CSSR em sistemas clínicos de ressonância magnética. Os tempos de exame que requerem apneia de dose única próximos a 10 s podem ser muito longos para indivíduos pediátricos^33,34 ou pacientes com doença pulmonar grave^35,36. Além disso, a técnica é suscetível a vieses de medição se os parâmetros de aquisição, como a ordem dos tempos de atraso de saturação ou a eficácia da saturação da fase dissolvida, não forem adequadamente otimizados²¹. Para abordar essas limitações e tornar o CSSR mais acessível à comunidade de pesquisa em geral, são necessários protocolos claros e passo a passo para aquisições convencionais de apneia e respiração livre, atualmente em desenvolvimento.

O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia detalhada para a realização de espectroscopia de RM CSSR otimizada usando gás HXe. O protocolo cobrirá a polarização e a entrega do gás xenônio, calibração de pulso de RF, seleção de parâmetros de sequência, preparação do sujeito, aquisição de dados e etapas importantes na análise de dados. Exemplos de resultados experimentais serão fornecidos. Espera-se que este guia abrangente sirva como base para implementações de CSSR em todos os locais e ajude a realizar todo o potencial dessa técnica para quantificar alterações microestruturais pulmonares em uma variedade de doenças pulmonares.

Protocolo

NOTA: Embora a técnica de espectroscopia de RM CSSR de xenônio-129 hiperpolarizada descrita aqui seja comumente usada para imagens de animais e humanos, o protocolo abaixo refere-se apenas a estudos em humanos. Todos os protocolos de imagem aderiram às limitações da taxa de absorção específica (SAR) da FDA (4 W/kg) e foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade da Pensilvânia. O consentimento informado foi obtido de cada sujeito.

1. Projeto de sequência de pulso

1. Decida se deseja realizar uma medição de apneia ou respiração livre.
   NOTA: As aquisições de apneia são tecnicamente mais simples porque requerem apenas a inalação de uma dose única (500 - 1000 mL) de gás HXe seguida por uma apneia de 10 s durante a qual os dados de ressonância magnética são coletados. No entanto, indivíduos não cooperativos (por exemplo, crianças pequenas) ou pacientes com doença pulmonar grave podem ser incapazes de prender a respiração por tanto tempo, portanto, uma aquisição de respiração livre envolvendo a inalação de doses pequenas e múltiplas (~ 50 mL) ao longo de alguns minutos pode ser aconselhável.
2. Para um estudo de espectroscopia de RM CSSR em apneia, use tempos de atraso variáveis para máxima flexibilidade e ângulos de inversão de alta excitação de até 90° para relações sinal-ruído máximas (Figura 1A).
   1. Para saturar a magnetização DP em um scanner de ressonância magnética de 1,5 T, aplique 5 pulsos retangulares de radiofrequência (RF) de 90° com frequência central, duração de 198 ppm, 2,5 ms e 218 ppm, 2,5 ms para 2 pulsos e frequência central, duração de 208 ppm, 2,0 ms para os 3 pulsos restantes. Se permitido pelo amplificador de potência de RF, encurte a duração dos pulsos de RF para medições em intensidades de campo mais altas.
   2. Separe todos os pulsos de RF por spoilers de gradiente de 1 ms, alternando ao longo dos eixos x, y e z: tempo de rampa de 200 μs, tempo de platô de 600 μs, 20 mT/m.
   3. Após o pulso de saturação final, aguarde um tempo de atraso τi, onde i se refere à i-ésima medição na apneia. Use os seguintes tempos de atraso na ordem prescrita: 50, 2.5, 2.5, 2.5, 3.5, 5, 7.5, 50, 10, 15, 30, 60, 50, 80, 100, 120, 160, 50, 200, 250, 350, 500, 50, 5, 6, 8, 50, 12.5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
   4. Aplique um pulso de excitação de RF gaussiano de 1.2 ms centrado em 208 ppm. Defina o ângulo de inversão para 90°. Se o amplificador de RF não permitir isso, use o ângulo de inversão máximo que o amplificador permite. Dimensione o comprimento dos pulsos de excitação de RF inversamente proporcional à intensidade do campo para medições em scanners de alto campo.
   5. Colher amostras do decaimento por indução livre durante 30,72 ms (1024 pontos de amostragem). Enquanto o T2* em fase gasosa a 1,5 T é da ordem de 15 ms, reduza significativamente a duração da amostragem em intensidades de campo mais altas sem a necessidade de apodização de sinal adicional antes do processamento.
   6. Aplique um spoiler de gradiente de 5 ms ao longo do eixo x: tempo de rampa de 200 μs, tempo de platô de 4,6 ms, 20 mT/m.
   7. Repita as etapas 1.2.1 - 1.2.6 40x com um τi diferente durante a mesma apneia, conforme descrito na etapa 1.2.3.
   8. Para um estudo de espectroscopia de RM CSSR de respiração livre, realize a seguinte medição continuamente por aproximadamente 3 min (Figura 1B), embora a aquisição possa ser encerrada mais cedo se o volume de gás HXe alocado acabar.
   9. Repita as etapas 1.2.1 e 1.2.2. Repita a etapa 1.2.4 com um ângulo de inversão de 7°. Recolha amostras do decaimento por indução livre durante 10,24 ms (512 pontos de amostragem).
   10. Aplique um spoiler de gradiente de 1 ms ao longo do eixo x: tempo de rampa de 200 ms, tempo de platô de 600 ms, 20 mT/m. Repita as etapas 1.2.3 - 1.2.5 40x com um tempo de repetição de 12,6 ms.
   11. Repita as etapas 1.2.1 - 1.2.6 até o final do estudo.

2. Preparação para o exame do paciente

1. Antes de cada estudo, certifique-se de que uma máscara facial limpa esteja preparada e conectada ao dispositivo de sincronização de fornecimento de gás usando tubos finos e flexíveis.
2. Para estudos de respiração livre, anexe um pneumotacômetro bidirecional para medições de fluxo.
3. Realize um teste de rotina usando uma seringa de vidro para imitar a respiração, a fim de verificar a injeção adequada de gás. O dispositivo de fornecimento de gás deve detectar o início da inalação a partir das medições de fluxo do pneumotach, permitindo a injeção de gás na máscara.
4. Configure o sistema de monitoramento fisiológico opcional que registra as curvas respiratórias (fluxo e volumes) e a análise de gás em tempo real (O₂ e CO₂) durante a imagem.
5. Conecte e teste os fones de ouvido da sala de ressonância magnética com o sinal de áudio que guia o sujeito usando uma gravação de áudio inspiração-expiração. Ajuste a velocidade de reprodução da faixa de áudio com base na frequência respiratória normal de cada assunto.
6. Prepare a cama do scanner com um apoio de cabeça limpo, travesseiro de apoio para as pernas e cobertor.
7. Coloque a bobina do colete torácico Xenon-129 desapertada na mesa do scanner de ressonância magnética. Insira o plugue do conector da bobina e certifique-se de que o scanner MR reconheça a bobina.

3. Preparação e acompanhamento do sujeito

1. Quando o sujeito chegar à instalação de imagem, obtenha consentimento informado por escrito usando um formulário de consentimento aprovado pelo IRB. Assim que o consentimento for obtido, faça a triagem do sujeito usando um questionário de segurança de ressonância magnética e um detector de metais.
2. Peça ao sujeito para remover qualquer metal ou joia de sua pessoa e vestir um avental de paciente.
3. Treine o sujeito para aderir ao protocolo de respiração selecionado (apneia ou respiração livre).
4. Para um estudo de respiração livre, apresente ao sujeito a gravação de voz inspiração-expiração que será reproduzida durante a imagem e com a qual ele deve sincronizar sua respiração.
5. Conduza o sujeito para a sala de ressonância magnética e posicione-o na cama do scanner: deitado em cima da bobina aberta do colete de xenônio.
6. Assim que o assunto estiver posicionado, aperte as tiras de Velcro para que a bobina do colete fique fechada, mas não contraia o peito do sujeito.
7. Para um estudo de respiração livre, coloque uma máscara facial com um pneumotacômetro sobre o rosto do paciente e aperte as tiras de forma que a máscara se encaixe perfeitamente sobre o nariz e a boca sem ficar muito apertada. Após a colocação, retire a máscara e reserve para mais tarde, deixando as tiras atrás da cabeça do sujeito.
8. Coloque dois oxímetros de pulso nos dedos indicadores direito e esquerdo do sujeito, respectivamente, para monitorar e registrar continuamente a frequência cardíaca e a saturação de oxigênio no sangue (SPO₂) durante todo o estudo.
9. Coloque fones de ouvido compatíveis com ressonância magnética sobre as orelhas do sujeito.
10. Mova a mesa do scanner de ressonância magnética para o orifício do ímã de forma que os pulmões do sujeito fiquem posicionados no centro do campo de visão.

4. Polarização hiperpolarizada de Xenônio-129 (gás de calibração)

NOTA: A seguir estão as etapas do protocolo para polarizar o gás Xenon-129 usando nosso dispositivo polarizador. Ajuste de acordo com as instruções de operação específicas do fornecedor para o polarizador de gás instalado.

1. Aproximadamente 2,5 h antes do início do estudo, aquecer o polarizador de xénon. Como o gás xenônio, especialmente enriquecido >85% Xenônio-129, é muito caro (atualmente ~ $ 500 por L) e não pode ser recapturado depois de polarizado, o processo de polarização só deve ser iniciado quando o sujeito chegar ao local da imagem.
2. Passe o tubo conector de um saco de PVF especializado de 250 mL através de um clipe de vedação. Certifique-se de que o clipe não aperte o tubo.
3. Conecte a bolsa de PVF especializada a uma das quatro portas de distribuição do polarizador disponíveis.
4. Na tela sensível ao toque do polarizador, selecione o tanque de xenônio enriquecido, defina a taxa de fluxo para médio e defina o volume de polarização para 250 mL.
5. Pressione o botão Iniciar para iniciar o processo de polarização. O procedimento de polarização real, congelamento, descongelamento e distribuição de xenônio na bolsa de PVF especializada, é totalmente automático e leva cerca de 15 minutos para 250 mL de xenônio.
6. Quando o gás xenônio polarizado for dispensado, o polarizador exibirá uma mensagem na tela sensível ao toque informando que a bolsa agora pode ser removida.
7. Aperte o tubo conector do saco de PVF especializado com o clipe de vedação. Desconecte a bolsa de PVF especializada e coloque-a rapidamente dentro do orifício do scanner de ressonância magnética para evitar a rápida despolarização do gás.

5. Inalação hiperpolarizada de Xenon-129 para calibração

1. Coloque um clipe nasal no nariz do sujeito para melhorar a respiração pela boca.
2. No final da expiração normal, insira o bocal da bolsa de xenônio na boca do sujeito.
3. Depois que o sujeito inalar 250 mL de dose de xenônio da bolsa, remova o bocal e instrua o sujeito a continuar inalando o ar ambiente até que seus pulmões estejam cheios.
4. No final da inspiração, peça ao sujeito que levante o polegar e à enfermeira coordenadora que transmita verbalmente essa informação ao operador do scanner para iniciar a sequência de pulso.
5. Para indivíduos que não conseguem prender a respiração, peça à enfermeira coordenadora para observar o movimento do peito do sujeito e informar ao operador quando o sujeito atingir a expiração final e começar a inspiração. Embora essa abordagem diminua o sinal de medição devido à exalação parcial do gás xenônio inspirado, ela garante que o volume de xenônio nos pulmões do sujeito permaneça bastante constante durante a aquisição dos dados de calibração.
6. No final do período de aquisição de dados (~5 s), instrua o sujeito a respirar normalmente novamente.

6. Calibração de frequência de gás e tensão de pulso de radiofrequência

NOTA: Antes de executar uma sequência de pulso, os scanners de ressonância magnética modernos geralmente calibram a frequência de ressonância do sinal de ressonância magnética e a tensão a ser aplicada à bobina de RF de transmissão para obter o ângulo de inversão desejado para os pulsos de excitação. Na ressonância magnética de prótons convencional, esse processo de calibração é automático e normalmente transparente para o usuário. No entanto, essa calibração automática não é viável para estudos de Xenônio-129 hiperpolarizado, pois não há fonte de sinal em equilíbrio térmico disponível. Em vez disso, a frequência e a tensão dos pulsos de RF devem ser calibradas manualmente. No scanner de ressonância magnética usado aqui, essa calibração manual é feita fornecendo uma tensão de referência, que o software do scanner usa para calcular a tensão apropriada para todos os pulsos de RF subsequentes. Consulte as instruções de operação específicas do fornecedor para o sistema de ressonância magnética para entender como inserir esses dados de calibração no software de medição.

1. Carregue uma sequência de pulso de reconhecimento de prótons. Selecione um campo de visão de 400 mm. Adquira 10 cortes coronais (10 mm de espessura do corte, 20% de folga).
2. Revise as imagens de prótons e certifique-se de que o pulmão do sujeito esteja centralizado no campo de visão. Se necessário, reposicione o assunto e repita a etapa 1.
3. Carregue a sequência de pulsos de calibração. Use a frequência da fase gasosa (GP) HXe da varredura humana mais recente como uma estimativa inicial da frequência do receptor.
4. Defina a tensão de referência para um valor tal que o sinal GP entre o primeiro e o último espectro adquirido com a sequência de calibração diminua em aproximadamente 70% - 80% para a maioria dos indivíduos. Para a bobina de RF torácica, defina o volume de referência inicialtage para 75 V.
5. Inicie a sequência quando o sujeito tiver inalado a dose de calibração de HXe e estiver apneando ou, se não for possível apneia, quando o sujeito tiver passado do ponto de expiração final no ciclo respiratório.
   1. Aplique um pulso de excitação de RF gaussiano de 1.2 ms centrado em 0 ppm. Defina o ângulo de inversão nominal para 90°. No entanto, como a tensão de referência inicial é definida muito abaixo de seu valor real, o ângulo de inversão realmente aplicado é de cerca de 15°.
   2. Colher amostras do decaimento por indução livre durante 30,72 ms (1024 pontos de amostragem). Aplique um spoiler de gradiente de 20 ms ao longo do eixo x: tempo de rampa de 500 ms, tempo de platô de 19 ms, 20 mT/m. Observe que essas especificações de gradiente não são otimizadas, durações de gradiente mais curtas provavelmente serão suficientes.
   3. Repita as etapas 6.5.1.-6.5.2. 16 vezes com um tempo de repetição de 55 ms. Repita novamente as etapas 6.5.1 a 6.5.2. 16 vezes com um tempo de repetição de 220 ms.
6. Quando a aquisição de dados estiver concluída, instrua o sujeito a retornar à respiração normal.
7. Avalie o bem-estar do sujeito verificando o nível de SPO₂ e pergunte sobre possíveis reações adversas.
8. Baixe os dados de calibração medidos em uma unidade USB e transfira-os para um laptop para análise posterior.
9. Use um script MATLAB para extrair a frequência central do pico GP, o ângulo de inversão dos pulsos de excitação de RF e o gás HXe T1 dentro do pulmão.
   1. Carregue os 32 FIDs adquiridos pela sequência de calibração. Use Transformadas Rápidas de Fourier (FFTs) para converter os FIDs em espectros.
   2. Faseie os picos de GP para a ordem zero. Ajuste uma forma de linha pseudo-Voigt ao componente real faseado dos picos GP.
   3. Calcule a frequência GP como a média sobre as frequências centrais dos primeiros 10 ajustes, pois eles têm a maior relação sinal-ruído. Saída da média de frequência na tela.
   4. Integre a área abaixo de todos os picos de GP. Ajuste as funções de decaimento mono-exponencial nas primeiras 16 e segundas áreas de pico de 16 GP.
   5. Extraia GP T1 e aplique o ângulo de inversão das duas curvas de decaimento ajustadas.

7. Polarização hiperpolarizada de Xenônio-129 (gás de medição)

1. Para polarizar o gás de medição, siga as etapas 4.2 - 4.7, com as seguintes modificações:
   1. Use uma bolsa especializada de PVF de 500 mL em vez de uma bolsa de 250 mL.
   2. Defina o volume de polarização para 500 mL em vez de 250 mL. O processo de polarização leva cerca de 20 min para 500 mL.

8. Inalação hiperpolarizada de Xenônio-129 para medição (apneia)

1. Coloque um clipe nasal no nariz do sujeito para melhorar a respiração pela boca.
2. No final da expiração normal da capacidade residual funcional, insira o bocal da bolsa de xenônio na boca do sujeito.
3. Depois que o sujeito inalar 500 mL de gás xenônio da bolsa de xenônio, remova o bocal e instrua o sujeito a continuar inalando o ar ambiente até que seus pulmões estejam cheios.
4. No final da inspiração, peça ao sujeito que levante o polegar e à enfermeira coordenadora que transmita verbalmente essa informação ao operador do scanner para iniciar a sequência de pulso.
5. No final do período de aquisição de dados (~8 s), peça ao sujeito para respirar normalmente novamente.

9. Inalação de Xenônio-129 hiperpolarizado para medição (respiração livre)

1. Para a varredura de medição, mova o sujeito para fora do scanner de ressonância magnética, coloque a máscara facial sobre o nariz e a boca e conecte as tiras pré-ajustadas atrás da cabeça à máscara, prendendo a máscara no lugar. O pneumotach na máscara detectará as sucessivas inalações e expirações do sujeito e acionará o sistema de fornecimento de gás para dispensar gás quando uma inalação for detectada.
2. Mova o assunto de volta à sua posição original dentro do scanner.
3. Reproduza a gravação de áudio inspiração-expiração para que o sujeito possa sincronizar seu padrão respiratório com o protocolo de respiração.
4. Uma vez que o sujeito tenha entrado no ritmo do protocolo de respiração, peça ao coordenador de enfermagem para informar o operador de ressonância magnética para iniciar a aquisição de dados. A enfermeira coordenadora então abre as válvulas do sistema de entrega de gás e o sujeito começa a inalar 50 mL de Xenon-129 hiperpolarizado que se mistura com o fluxo de ar dentro da máscara respiratória.
5. Peça ao paciente para continuar por aproximadamente 10 respirações até que o volume de gás xenônio tenha sido usado para o protocolo de imagem.

10. Aquisição de dados de medição (apneia)

1. Carregue a sequência de pulso CSSR para prender a respiração, conforme descrito na etapa 1.2. Defina a frequência de aquisição de acordo com a frequência HXe GP determinada durante a varredura de calibração na etapa 6.
2. Ajuste a tensão de referência para corresponder ao valor obtido na varredura de calibração descrita na etapa 6.
3. Escolha a opção Aguardar usuário , ou equivalente, para execução de sequência, seguindo as instruções de operação do fornecedor do sistema.
4. Inicie a sequência. O scanner de ressonância magnética concluirá a preparação da sequência, pausará e aguardará o usuário iniciar a aquisição de dados.
5. Inicie a aquisição de dados quando o indivíduo tiver inalado a dose de medição de HXe, lavado as vias aéreas continuando a inalar o ar ambiente até que seus pulmões estejam cheios e tenha iniciado a apneia. Este último deve ser realizado conforme orientação do enfermeiro coordenador e descrito nas etapas 5 e 8.
6. Quando a aquisição de dados estiver concluída, instrua o sujeito a retornar à respiração normal.
7. Avalie o bem-estar do sujeito verificando o nível de SPO₂ e perguntando sobre possíveis reações adversas.
8. Baixe os dados CSSR medidos em uma unidade USB e transfira-os para um laptop para análise posterior.

11. Aquisição de dados de medição (respiração livre)

1. Carregue a sequência de pulso CSSR para respiração livre, conforme descrito na etapa 1.3.
2. Defina a frequência de aquisição de acordo com a frequência HXe GP determinada durante a varredura de calibração na etapa 6.
3. Ajuste a tensão de referência para corresponder ao valor obtido na varredura de calibração descrita na etapa 6.
4. Escolha a opção Aguardar usuário , ou equivalente, para execução de sequência, seguindo as instruções de operação do fornecedor do sistema.
5. Inicie a sequência. O scanner de ressonância magnética concluirá a preparação da sequência, pausará e aguardará o usuário iniciar a aquisição de dados.
6. Inicie a aquisição de dados assim que o coordenador de enfermagem estiver pronto para mudar da mistura de ar ambiente para HXe gás/ar, conforme descrito na etapa 9.4. Certifique-se de que a sequência já esteja em execução antes que o sujeito inale a primeira dose de gás xenônio.
7. Assim que a aquisição de dados estiver concluída no final de 3 minutos de medição ou tiver sido encerrada quando todo o gás HXe tiver sido usado, remova o assunto do scanner de ressonância magnética.
8. Avalie o bem-estar do sujeito verificando o nível de SPO₂ e perguntando sobre possíveis reações adversas.
9. Baixe os dados CSSR medidos em uma unidade USB e transfira-os para um laptop para análise posterior.

12. Análise de dados CSSR

NOTA: Os dados adquiridos consistem em N x 40 decaimentos de indução livres, onde N é o número de vezes que a aquisição foi repetida com diferentes tempos de atraso após a saturação da magnetização DP. Dependendo se a medição do CSSR foi realizada como apneia ou estudo de respiração livre, N é 1 ou o número de vezes que a aquisição foi repetida, respectivamente, e deve totalizar aproximadamente 2 x o tempo de medição em s. No entanto, a análise de dados subsequente para ambos os cenários por meio de scripts MATLAB é essencialmente idêntica, exceto quando indicado.

1. Carregue os FIDs adquiridos pela sequência CSSR. Use Transformadas Rápidas de Fourier (FFTs) para converter os FIDs em espectros.
2. Faseie os picos de GP para a ordem zero. Faseie os picos de DP para primeira ordem.
3. Ajuste uma forma de linha pseudo-Voigt ao componente real faseado dos picos GP.
4. Para medições de respiração livre, divida todos os espectros pela área abaixo dos picos de GP ajustados. Calcule a média de todos os espectros com o mesmo tempo de atraso.
5. Em todos os espectros, ajuste duas formas de linha pseudo-Voigt aos componentes reais em fases dos picos da membrana em ~ 196 ppm e nos picos de glóbulos vermelhos em ~ 217 ppm.
6. Integre as áreas abaixo dos picos DP instalados.
7. Para medições de apneia, adquira a medição do tempo de atraso de 50 ms repetidamente (consulte a etapa 1.2.8), o que permite uma correção de decaimento mais precisa do que a normalização com o sinal GP.
8. Ajuste uma função de decaimento exponencial ao sinal de pico da membrana em função do índice de aquisição.
9. Multiplique todos os sinais de pico de membrana e glóbulos vermelhos pelo inverso da função de decaimento exponencial ajustada para o respectivo índice de aquisição.
10. Ajuste os sinais corrigidos da membrana e dos glóbulos vermelhos em função de seu tempo de atraso para um modelo de captação de gás xenônio. Os dois modelos mais utilizados são os propostos por Patz et ^al.24 e Chang et al.25,37,38. Normalmente, analisamos os dados usando o modelo Patz.
11. Ajuste a qualquer modelo para obter a relação superfície-volume alveolar, a espessura aparente da parede septal alveolar e o tempo de trânsito capilar. Além disso, o modelo de troca de xenônio (MOXE) proposto por Chang et al. produz a espessura da barreira entre os vasos e o volume alveolar, bem como o hematócrito.

Resultados

A Figura 2 ilustra um espectro típico de xenônio observado no pulmão humano durante uma apneia, após a inalação de 500 mL de dose de xenônio. O espectro exibe duas regiões distintas, a ressonância GP em torno de 0 ppm e a região DP, que consiste no pico da membrana em aproximadamente 197 ppm e o pico dos glóbulos vermelhos em aproximadamente 217 ppm. As amplitudes de pico relativas dependem de vários fatores, incluindo a forma, duração e frequência central do pulso de excitaç...

Discussão

A espectroscopia de RM HXe CSSR é uma técnica poderosa para avaliar várias métricas de função pulmonar que seriam difíceis ou impossíveis de quantificar in vivo usando qualquer outra modalidade diagnóstica existente²⁴. No entanto, a aquisição e a análise subsequente dos dados são baseadas em certas suposições sobre condições fisiológicas e parâmetros técnicos que nunca são totalmente alcançáveis em indivíduos vivos. Essas limitações e seu impacto na interpretaç?...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bi-directional Pneumotach	B&B Medical AccutachTM
Chest Vest Coil	Clinical MR Solutions		Adult Size
Face Mask	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Optimization Toolbox required
Physiological Monitoring System	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-mL and 500-mL; specialised PVF bag
Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10
Whole-body MRI Scanner	Siemens	1.5 T Avanto